LV配電盤本質安全新設計思維

1. 前言

目前高科技廠房蓋廠飛速，為了滿足成廠量產的時間，需在短時間消化大量的機台送電需求。因短時間內有大量的送電需求，故人員操作電盤的頻率會比以往來得高，導致高科技廠房的電盤事故層出不窮，其中包含電盤銅排短路、人員感電等。除了需加強操作人員的個人防護具外，在「配電盤的安全設計架構」也重新被提出來檢討。由歷史感電事故統計資料如圖1、圖2，再透過配電盤銅排短路及人員感電的事故原因分析如 表1，筆者發現配電盤的架構有優化的空間。人員在操作LV電盤時，因操作區與動力線路在同一個空間，故人員在操作時會有感電的風險存在。

為了解決操作與動力線路在同一個空間的風險問題，筆者參考了配電盤安全設計相關的國際規範，也與配電盤的廠商一同討論在不增加現場的施工困難度下將配電盤的設計變更成滿足配電盤的安全規範，使操作區與動力線路區作一個安全區隔，可大幅降低人員在操作當下的感電風險^[1]。

本文在探討LV配電盤的安全設計，分兩大主軸來探討 : ①LV SWGR配電盤的安全設計；②LV電盤的安全設計，在LV電盤中又以UPS的MBP盤及VFD盤數量最為廣泛，因此第二節在LV電盤安全設計部分會針對MBP盤及VFD盤的現有設計研究探討，在第三節則針對MBP盤及VFD盤進行安全的結構性分析，並列舉規範所定義之配電盤設計，第四節研究優化後的配電盤與先前的配電盤在安全上的分析，第五節則為本文做結論。

2. 文獻探討

2.1 LV配電盤規範

根據LV配電盤國際規範IEC 61439-2^[2]裡面將LV配電盤盤內進行隔離分區並定義出4種等級(From1~From4)，會將LV配電盤進行分區主要有以下4個原因。

1. 防止人員直接接觸危險的元件(如電感、銅排等)，最低的防護等級必須為IPXXB，如 圖3。

   圖3、IP防護等級說明

   
2. 保護配電盤避免受到固體異物的侵入，因為配電盤的最低防護等級必須為IP2X。
3. 透過分離母線(busbars)及設備連接來限制電弧在配電盤內的傳播。
4. 需便於維護操作及配電盤日後的升級。

[註] : IP防護等級說明

國際電工協會IEC(International Electrotechnical Commission)將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級，提出國際防護等級認證(International Protection Marking, IEC 60529^[3])也稱作異物防護等級(Ingress Protection Rating)，也就是我們常見到的IPXX，後面兩個XX分別代表著不同的意義，說明如下 :

1. IPXX的第一碼數字 : 「防塵」係數，也就是固體防護等級(包含器具、手指等物體，均不可接觸到電器內部避免觸電)
2. IPXX的第二碼數字 : 「防水」係數，也就是液體防護等級(表示電器防止濕氣、防水浸入的密閉程度)

這兩個數值越大表示防護等級越高如 表2。

在規範IEC 61439-2中定義了配電盤內部的分區規則，且分區定義取決帶電區域與相關元件的區隔，這個定義是可配合配電盤的製造商及用戶之間的協議。

IEC 61439-2定義了4個分區類別，以確保人員避免直接接觸到帶電導體的感電危害，此4種類別是針對保護要求和客戶需求(操作、維護、升級)所提供的解決方案。

2.2 IEC 61439-2隔離類別及應用

IEC 61439-2定義四種主要的隔離類別(Form 1、2、3、4)，使用者應考慮他們需要在不完全隔離元件的情況下要執行哪些操作，然後使用 圖4概述的分類，選擇主要所需的隔離類別如 圖4。

• Form 1、2 : 所有內部操作時可完全斷電隔離(更換fuse除外)。
• Form 3 : 當鄰近迴路帶電時可允許進行設定調整及有限制的功能單元(CB)保養。
• Form 4 : 當鄰近迴路帶電時可允許進行設定調整及有限制的功能單元(CB)保養及電纜連接與拆除。

LV SWGR內部元件對應IEC 61439-2的隔離類別簡圖如 圖5所示。

2.3 IEC 61439-2的四種隔離細節類別說明^[4]

1. Form 1 : 配電盤內部無分離(如 圖6)

   圖6、Form 1

   

   Form 1透過下列方式可以保護人員及設備 :

   • 只能經由特定的工具打開前板。
   • 鎖上可以接觸到帶電部件的門。
   • 在ConPact NSX斷路器及Intepact INS/INV開關上系統安裝端子蓋(NSX、INS/INV是施耐德的設備)。
   • 對進線設備的上、下游施作覆蓋，確保開盤時，人員在配電盤各點的安全。
2. Form 2 : 配電盤內母線和功能單元分離(如 圖7)

   圖7、Form 2

   
   • 保護人員碰觸輸出元件的一次側帶電部分。
   • 防止堅硬異物進入配電盤內。
     Form 2又分為Form 2a和Form 2b，其中Form 2b比Form 2a更安全，因為在連接端子的部分與母線(主銅排)是隔絕的。
     Form 2a : 輸出二次側的端子未與母線分開(如 圖8)

     圖8、Form 2a

     
     Form 2b : 輸出二次側的端子與母線分開(如 圖9)

     圖9、Form 2b

     
3. Form 3 : Form 2+配電盤內所有的元件都是隔離的(如 圖10)

   圖10、Form 3

   
   • 保護人員碰觸到輸出設備的一次側帶電部分
   • 限制每個元件的故障風險(電弧傳播)
     Form 3又分為Form 3a和Form 3b，其中Form 3b比Form 3a更安全，因為在連接端子的部分與母線(主銅排)是隔絕的。
     Form 3a : 輸出二次側的端子未與母線分開(如 圖11)

     圖11、Form 3a

     
     Form 3b : 輸出二次側的端子與母線分開(如 圖12)

     圖12、Form 3b

     
4. Form 4 : Form 3+配電盤內輸出元件的導體部分是互相隔離的(如 圖13)

   圖13、Form 4

   
   • 保護人員碰觸到輸出設備的一次側帶電部分
   • 限制每個元件的故障風險(電弧傳播)
     Form 4又分為Form 4a和Form 4b，用密封板安裝隔間的為Form 4a，覆蓋輸出設備的連接部分為Form 4b。
     Form 4a : 外部導體的端子與輸出設備在同一個機櫃中。(如 圖14)

     圖14、Form 4a

     
     Form 4b : 外部導體的端子與輸出設備不在同一個機櫃中，而是在隔離和封閉的受保護空間或是在單獨的隔間中。(如 圖15)

     圖15、Form 4b

     

2.4 LV SWGR配電盤短路事故

針對tsmc LV SWGR低壓盤短路事故(Case1/Case2)分析，發現故障波形一致，研判故障模式相同，皆為ACB一次側間距2cm銅排間Arcing Fault，原因為Spacer髒污或錫鬚所造成如 圖16。

2.5 LV VFD電盤短路事故

操作人員在進行VFD盤接地線查修時造成人員感電事故，原因如 圖17所示 :

1. VFD電抗器端子安全包覆不確實。
2. 施工人員未遵守電盤開盤作業之相關規定，安全意識不足所造成。

2.6 LV SC電盤短路事故

低壓電容盤內保險絲底座B相一次側連結爪鈎處產生高溫造成空氣絕緣強度降低而使銅排表面發生閃絡，閃絡之故障電流應力造成裸銅排變型錯位，事故擴大為銅排碰觸短路，電流33000A，130ms。原因如 圖18所示。

3. 研究方法

本研究為了強化電盤的操作安全與供電可靠度，在新廠的LV SWGR盤及MBP盤、VFD盤導入國際規範IEC 61439-1/2的定型試驗，在配電盤型式認證部分，低壓SWGR是採用IEC 61439-2裡的Form 4等級，但是在MEP/UPS等，LV配電盤目前並無遵照相關國際規範，為了提高其他LV配電盤的安全性，將IEC 61439-2的Form 4等級導入至所有LV配電盤，本研究會先以操作頻率高的MBP盤、VFD盤下去作探討。

根據IEC 61439-2，組裝式電盤內部空間及防護區域共分為4種配電盤的等級(Form 1、Form 2、Form 3、Form 4)，在台積新廠設計導入IEC 61439-2的定型試驗，針對Critical Panel，如 : Tool UPS輸出盤(MBP盤)、VFD盤進行導入且需經由STL認證實驗室認可後才可入廠。

3.1 LV SWGR New Rules Design In^[6]

1. Proposal : 針對L/L強化LV SWGR的供電可靠性及穩定度。
2. Action : 依據IEC 61439-1&2規範，制定詳細驗證項目並確認各廠牌目前缺少的測試項目如 表3。

3.2 STL標準測試項目(如 圖19 圖20)

1. Certificate of Type Conformity ★
2. Certificate of Short-circuit Performance ★
3. Certificate of Dielectric Performance ★
4. Certificate of Switching Performance
5. Certificate of Temperature Rise Performance
6. Certificate of Internal Arc Performance

3.3 UPS MBP盤/VFD盤定型評估(如 表4)

4. 結果與分析

為了強化電盤操作安全，台積電新廠針對LV SWGR的事故L/L，評估升級QA/QC手法及可行性改善方案。

4.1 LV SWGR升級QA/QC手法以及可行性改善方案(如 表5)

4.2 LV SWGR低壓列盤未來改善項目(從F18P8起Design In)

① 銅排 : 不鍍錫，避免錫鬚造成Arcing Fault。

• 永久解決錫鬚問題
  • 鍍銀副作用 : 鍍銀會造成銅排變黑變醜。
  • 鍍鎳副作用 : 鍍鎳價格高昂。(車用鋰三元電池鎳比例使用越來越高)
  • 裸銅副作用 : 易氧化特性造成接觸電阻變高，易氧化生成銅綠。相對於其它金屬而言，銅具有良好的耐腐蝕性，但在高溫、潮濕、酸霧等環境中仍會發生化學變化，導致表面變色。近年為了減少銅排表面缺陷及抗氧化度，加強製程控制和生產管理有很大進步。
• 解決方案選定 : 裸銅搭配絕緣披覆提高抗氧化性

② 導體絕緣包覆 : 加強絕緣強度。(如 圖21)

• 在銅排上增加額外的絕緣包覆或隔板會附低銅排散熱能力，銅排運轉溫度過高會縮短配電盤使用壽命(絕緣支撐物絕緣能力及耐機械應力能力提早達到壽命終點)。
• 解決方案選定 : 要求導體需使用LVIT(Low voltage busbar insulation tubing)包覆。

③ 銅排相間間距不縮減 : 保持最大安全距離。

• PC夾具與spacer都有改善空間，spacer容易因為銅排間異物造成故障。
• 解決方案選定 :
  • 增加沿面距離(Creepage) : 使用絕緣板增加沿面距離。
  • 新廠RFP加入規範嚴格把關電盤空間配置。
  • 定期APM檢查並清除異物。

④ 空間設計 : Feeder故障不應影響到Main。

• 故障電弧產生的高溫高壓氣爆，是往main盤方向(main bus空間)釋壓而不是上方散熱口導致故障擴及其它分路盤，箱體設計還有改善空間。
• 解決方案選定 : IEC 61439-2的電盤內部隔離規範中From4a/4b導入。

將UPS MBP盤及VFD盤優先導入國際規範(IEC 61439-1/2)施作電盤的定型試驗，在電盤的標準測試項目有以下3項。

① 型式認證(Type Conformity)

• 操作區與動力線路施作隔間隔離，避免人員有感電風險。
• 盤內IP防護等級提高至IP2X防護(防止異物掉落，開口<12.5mm)。

② 短路故障測試(Short-circuit Performance)

• 確保電盤結構可承受發生短路障故時所產生的極大電流、震動及電熱。

③ 介電測試(Dielectric Performance)

• 驗證電盤絕緣不會因設備老化、潮濕、震動及其他原因造成絕緣失效。

4.3 CUPS MBP盤定型標準化(Form 4b)(如 圖22)

• 各迴路依照送電階段區分，規劃安全結線空間及開關安全區隔。
• 開關獨立中門，增加旋鈕開關以利後續IR Scan檢查。
• 後盤門以門鎖取式既有螺絲型式，非授權人員不可將其開啟。

4.4 VFD盤定型標準化(Form 4a)(如 圖23)

• 開關及元件分區隔離，加強施工及操作安全。
• 介電測試檢查(商頻及衝擊耐壓)。
• 防護等級提升至IP2X。

4.5 LV SWGR Main-tie-tie-Maun New design(如 圖24 圖25)

新增一Tie盤與開關，可有效完全隔離兩邊電盤。

1. 提高單邊PM安全性，及供電可靠度。
2. 防止鄰近盤異常互相影響。

5. 結論

針對LV Switchgear裝甲盤事故進行分析，發現LV Switchgear裝甲盤在安全上還是有可以改善的地方，於是為了提高LV SWGR供電的可靠性及穩定度，未來新廠會開始在RFP新增四項新設計 : ①LVIT(1KV)絕緣披覆；②銅排不鍍錫；③銅排相間間距不縮減；④內部隔離方式使用 : Feeder→4b(一次側/開關/二次側皆隔離)&Main/Tie→4a(一次側/開關&二次側隔離)。

低壓電力配電盤(MBP盤、VFD盤、電容盤等)在過去對於人員感電的要求上並沒有像LV Switchgear裝甲配電盤要求這麼嚴格，也沒有強制要求規範，故低壓電力配電盤在「人員感電」的安全防護上較為薄弱，廠內出現多起低壓電力配電盤造成人員感電之案例，因此除了強制要求操作人員的個人防護具穿戴外，也重新檢視低壓電力配電盤本質上的安全性，筆者發現在低壓電力配電盤的防護上確實不太足夠，於是將LV Switchgear裝甲配電盤的國際規範IEC 61439-2應用在低壓電力配電盤上，其中又以UPS MBP盤(Form 4b)、VFD盤(Form 4a)在實際操作較為頻繁，故優先要求施作定型試驗。

筆者將低壓電力配電盤的定型試驗視為一個重要的議題，除了LV Switchgear裝甲盤、UPS MBP盤、VFD盤外，未來也會將所有的低壓電力配電盤施作定型試驗，強化低壓電力配電盤的保護性，降低人員在操作時的感電風險，提高供電設備可靠度。